图丨NDB 电池概念图(来源:NDB 官网)
现代社会的稳定运行,少不了电池所提供的能源。然而,目前以锂离子电池为代表的常见电池仍然存在诸多不足,不仅使用寿命有限,使用成本也相对较高,如果回收不当,还会造成一定的环境污染。因此,人们一直在尝试寻找一种更好的电池。
2016 年,英国布里斯托大学的学者,开发了一种由夹在薄层放射性物质之间的半导体构成的“贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)”。
据介绍,这种电池的动力源来自于核废料产生的 β 衰变所释放的能量。在衰变过程中,核废料释放出 β 射线粒子,通过照射半导体材料使其产生大量电子-空穴对,并且在电场作用下实现电子-空穴对的分离,从而产生电流。
如今,美国加州一家名为 NDB(Nano Diamond Battery) 的公司,正在其开发的纳米金刚石电池上,推进这项技术。
NDB 将该技术作为一种安全、高效、可持续的能源解决方案,致力于未来在智能手机、电动汽车、航天器等电子设备上获得应用。
具体而言,该公司先从被废弃的石墨块中,提取出放射性同位素碳-14,然后借助化学气相沉积法,将其转化为气体,并通过冷却和再增压,制造出一种放射性金刚石。
接着,其将放射性金刚石与半导体材料一起放置在电池中,通过收集游离电子,并允许电流输出,这样可以把辐射转化为电能。
其中,为了避免辐射泄漏,还必须设置一层非放射性金刚石,将放射性金刚石包裹起来。
由于碳-14 的半衰期可以持续数千年,因此该类电池的能量也永远不会被耗尽。
NDB CEO 尼玛·戈尔沙利菲(Nima Golsharifi)曾将该技术与太阳能电池相比较。但其不同之处在于,NDB 是利用放射性物质辐射来发电,而不是利用光伏效应来实现电能输出。
戈尔沙利菲告诉媒体:“这种电池具备两大优势,其一,它利用核废料并将其转化为有益的能源;其二,它的运行时间要比目前的电池长得多。”
据其介绍,这些被废弃的石墨,可以从美国目前所拥有的 86000 吨废弃核材料中进行回收。由于裂变产物约占材料总量的 4% 左右,因此回收量约为 3.5 吨。
“这可以提供大约 10 千万亿焦耳,或约 2.7 太瓦时的电力。”戈尔沙利菲表示。
此外,为确保此类电池足够安全,NDB 还开展了广泛的研究,并宣称电池的辐射已被安全地锁定在钻石中,不会产生任何排放或有害物质,比可能发生爆炸或起火情况的锂电池更加安全。
戈尔沙利菲解释道:“我们有一个传感器锁定系统,它可以防止同位素被批量访问,并可以在除了纳米金刚石电池之外的其他用途上得到应用。我们专门通过一种被称为‘纳米级离子注入’的过程来实现这一点,这使我们能够满足各种消费者的安全要求。”
从成本来看,这种由钻石与核材料组成的产品,成本已从每公斤 240 万美元,下降到 4 万美元,今后一旦能够实现大规模化的生产,它的价格还将会更有竞争力。
不过,需要说明的是,NDB 此前对外公布的电池设计非常小,约有一个计算机芯片那么大,只能产生非常少的能量,因此必须将大量电池组合起来,才能为常规设备或更大的设备供电。
戈尔沙利菲表示:“NDB 的解决方案,以及我们公司的宗旨,就是充分利用这项技术来解决核废料问题,并通过推广核能这一清洁能源来改善环境,进而创造一种支持社会发展的循环经济。”
据悉,NDB 预计开发两个版本的纳米核金刚石电池,分别是“永恒”版和“硬核”版。
前者可以持续运行 2.8 万年,直到电量被耗尽为止。因此,它能够很好地应用到那些需要执行长期任务的设备上,比如医疗设备、海底通信设备等。
后者专为一些特别的应用设计,比如航天器。据了解,搭载该电池的航天器,可以被发送到其他星系,开展长达几个世纪的航行。并且,其还具备足够的能量,可以向地球上的人类发回需要的信息。
同时,该公司还计划开发能够为手机、汽车和其他小型设备供电的消费者版,使其能够在不充电的情况下运行长达十年。
另据悉,NDB 目前正在开展核电池相关的概念验证测试,预计将在2023年推出一款商用纳米金刚石电池产品(支持:张智)。